鋼鈑金電池包箱體的研發路線

文/吳中旺，劉暢，胡劍鋒·清華大學蘇州汽車研究院

本文從國家補貼政策和新能源汽車市場分析開始，詳細分析了國家補貼政策和新能源汽車市場現狀，總結出不同類型電池包箱體的優缺點，指出鋼鈑金電池包箱體可能會是未來發展方向，在此基礎上闡述了清華大學蘇州汽車研究院在電池包箱體開發上的技術路線。

隨著世界石化能源的逐漸消耗以及環境保護的緊迫性不斷提升，發達國家對汽車行業率先提出停止銷售燃油乘用車的時間點，中國官方也逐漸提出乘用車發展政策，同時對新能源汽車和動力電池包補貼政策不斷修訂，以促進我國新能源汽車快速發展，如2016 年12 月，國家首次提出以電池能量密度為一項參考指標；2018年新能源汽車補貼政策進一步調整了補貼額度、撥付方式以及補貼門檻等。近幾年新能源汽車補貼政策對比，見表1、表2。

在不斷的補貼政策和資本市場的刺激下，我國新能源乘用車銷量不斷攀升，乘聯會統計數據公布了2019 年上半年國內新能源汽車銷量top10。從數據中我們可以得出：(1）前10 銷量車型價位都是控制在普通工薪階層可以接受的范圍內；(2）所有的生產廠家都是傳統造車企業，沒有造車新勢力企業上榜；(3）概括Top10 銷量車型，新能源汽車的銷量增加快速，只有個別車型銷量減少。

新能源汽車動力電池的安全性

從當前新能源汽車發展情形來看，整車續航、汽車安全、成本控制、輕量化、智能化等都直接影響著客戶對新能源車的認可度，但汽車安全和成本控制將會是兩個最為重要的因素。從銷量前10 的車型分析中了解到，銷量大的車型價格相對較低，同時也意味著這些車型對動力電池包成本的敏感性較高，如何要保證動力電池的安全性和經濟性，將是整車企業和動力電池包企業面臨的重大問題。

目前行業內普遍使用的電池包箱體有：鋁型材攪拌摩擦焊電池箱、鑄鋁電池箱、鋁板材電池箱、SMC電池箱、碳纖維電池箱和鋼鈑金電池箱。鋁型材電池箱體模具簡單、價格便宜，開模時間短，但是材料成本高，制造工藝復雜，生產效率低，適用于小批量生產；鋼鈑金電池包箱體模具復雜、價格高，開模時間長，但是材料成本低，制造工藝簡單，生產效率高，適用于大批量生產。

電池包箱體的結構輕量化和安全設計需要有準確的電池包結構件的材料力學數據和單體等效模型的支持。清華大學蘇州汽車研究院利用高速拉伸設備、萬能試驗機和落槌試驗機等，通過對電池包模組的拆解和測試（圖1），獲得各組分材料的力學參數；通過對卷芯和單體的穿孔、擠壓等試驗獲得卷芯的力學模型，并監測單體電壓和位移侵入量之間的關系，以此獲得單體失效的判斷依據和單體的仿真對標信息。在此基礎上，我們團隊驗證和對標了單體擠壓試驗、單體精細化模型和單體等效模型，如圖2 所示，從圖2中可以看出單體侵入量在10.9mm 之前，仿真和試驗對比的非常準確，誤差較小，等效模型相對試驗和精細化模型的剛度略大。

表1 2017 ～2019 年新能源乘用車補貼金額對比

表2 純電動乘用車動力電池能量密度要求

圖1 電池模組拆解圖

圖2 等效模型、精細化模型和試驗對標結果

表3 行業推薦的12h 電池包振動標準

電池包國標和非標仿真分析

電池包國標分析

有了準確的電池包單體等效模型，大大提高整包的仿真精度，并且通過電池單體和模組的試驗獲得了電池失效損傷容限，從而能更加準確的指導電池包箱體開發設計。電池包國標分析主要按照GB/T31467.3-2015 的要求進行仿真分析，分析工況包括模擬碰撞、沖擊、擠壓和振動。后期根據此標準提出的第1 號修改單，降低擠壓和振動的要求。在電池包安全方面，電池包振動是行業最為關注的失效工況，表3 為行業推薦的電池包振動標準。目前我們在電池包仿真時既會考慮第1 號修改單又會根據客戶要求進行更苛刻的工況仿真分析和試驗驗證，同時也在積極考慮電池包仿真和試驗對標分析，試驗包括從簡單的下箱體振動試驗到整包試驗，同時采用Edaq 設備采集箱體加速度和應力。

電池包非標分析

國標規定的工況在實際電池包開發中是完全不夠的，還需要引入非標工況的分析方案，包括電池包自由模態分析、約束模態分析、彎曲剛度分析、扭轉剛度分析等，同時類比與整車開發過程中的不同工況作用下的強度分析，電池包也進行不同工況的強度分析；隨著電池包失效形式逐漸體現，電池包球擊分析被提為很重要的分析工況。

表4 電池包球擊對比分析表

目前行業對電池包球擊分析還沒有統一的分析方案，清華大學蘇州汽車研究院就電池包球擊分析包括以下內容：其中約束條件為電池包安裝支架6 個方向自由度；邊界條件為直徑50mm 的球施加不同初始速度，垂直于電池包底部中心位置及受損處；球的質量為176g；評判方法為電池包底板侵入量和所受應力，塑性應變和能量吸收值僅為方案比較提供參考，其中能量吸收值取電池包底板侵入量為2mm 時段的最大值，即底板接觸模組之前的能量吸收值。

對三種材料電池包模型球擊仿真分析對比，球擊速度分別為13.89 m/s和17.78m/s，分析結果見表4，鑄鋁和鋁型材電池包最大侵入量相對較小，鋼鈑金電池包較大，這也是為什么很多鋼鈑金電池包下部都增加一個防護的原因；鋼鈑金電池包應力相對鑄鋁和鋁型材電池包略大，但在安全范圍內。

結束語

我國新能源汽車動力電池包技術在最近幾年快速發展，電池包開發技術不斷提高，同時行業呈現出的電池包種類繁多，電池包分析技術也是每家企業參差不齊，總體而言，電池包箱體技術開發路線為：電芯模型或單體模型開發、材料力學數據庫積累、電池包箱體結構設計、國標有限元仿真優化、非標仿真優化分析和試驗驗證。